一種確定林窗大小下限的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種林學與生態(tài)學中林窗大小下限（最小值）的確定方法。某一地區(qū)，根據(jù)植被生長季正午太陽高度角變化，確定理想狀態(tài)下建群樹種冠層厚度（平均值）最小投影長度，采用該最小范圍值作為林窗最小直徑，由林窗最小直徑與林窗邊緣木平均高度比值表征林窗大小的下限（最小值）。本發(fā)明首次提出了確定林窗大小下限的方法，填補了林窗（1947年Watt明確概念）提出以來該研究領域的空白。該專利不僅客觀、定量地給出林窗大小下限的確定方法，更為世界不同地域林窗研究提供了統(tǒng)一、可比的標準，徹底改變林窗研究領域對林窗下限定義的混亂局面。
【專利說明】一種確定林窗大小下限的方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種林學與生態(tài)學中林窗大小下限(最小值）的確定方法。

【背景技術】
[0002] 1947年英國生態(tài)學家Watt首次提出了林窗（forest gap)這一概念，為森林循環(huán) 理論的提出建立了基礎。自此，森林更新演替研究翻開了嶄新一頁，國內外圍繞林窗特征及 林窗內植被變化情況開展了大量研究。林窗是森林受到小尺度干擾后，建群樹種死亡、倒伏 形成的林間隙地。林窗形成后，通過改變光量、光質分布，使林窗內部環(huán)境發(fā)生改變，進而影 響林窗內資源的分配格局，使林下植被獲得同原有優(yōu)勢植被競爭的機會，促進森林的更新 演替。林窗的大小、形狀、邊緣木高度等被認為是影響林窗更新的主要特征要素；其中，林窗 的大小是評價林窗環(huán)境異質性和資源分配的最重要指標。由于森林生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和多 樣性，如何從林窗大小角度區(qū)分林窗與林下環(huán)境，已成為林窗研究領域的難題。不同研究者 所設定的林窗大小下限不同，第一種方法：如，臧潤國等（1984)設定林窗大小下限為4m2,并 認為當面積<4m2,很難將林窗和林分內枝葉間隙區(qū)出來；類似的林窗大小下限閾值還被設 定為 IOm2 (Nakashizuka，1984)，20m2 (Brokaw，1982)，25m2 (Veblen, 1985)。第二種方法： 部分學者依據(jù)樹冠大小設定林窗大小下限為1株建群樹種的樹冠面積（Gysel, 1951; Romme and Martin, 1982;White et al.，1985)，這種設定方法是基于"林窗至少是由一株建群喬 木倒伏產生的"理念。第一種設定方法是人為設定的界限，很顯然，不能反映林窗與林分的 本質區(qū)別；第二種設定方式?jīng)]有考慮由單株樹木形成的林窗在閉合前是否仍是林窗的問題 (因為按照第二種設定林窗下限的方法，單株樹產生的林窗只有產生的一瞬間是林窗，隨著 樹木生長,空隙大小〈1個樹冠面積)。
[0003] 根據(jù)Brokaw(1982)對林窗"洞"的定義，林窗在重新閉合成與周圍相同的林分時 需要滿足的條件是：林窗內更新的植被進入林冠層(林窗內更新的建群樹種平均高度達到 原有建群種冠層厚度的下限)，或林窗邊緣木枝葉向林窗內部側向生長，形成與原有森林具 有相似的結構。如果未能形成與原有森林具有相似的結構，即可認為林窗存在或林窗未閉 合。
[0004] 林窗與林分本質的區(qū)別在于：理想狀態(tài)下，由于樹木的遮蔽，林分內的植被不會受 到太陽光的直接照射；而樹木死亡、倒伏形成的林窗，在林窗閉合前，太陽光能夠直射到林 窗內植被上，進而影響物種更新、演替，如果太陽光不能直接照射到林窗內的植被，則認為 該空隙不屬于林窗。因此，林窗大小的下限不應根據(jù)林窗產生時的情況判定(單株樹木形 成的林窗)，而應考慮林窗閉合的過程，即閉合時林窗大小的最小值為林窗大小的下限。一 般認為，林窗閉合時存在二種機制：（1)林窗內更新的建群樹種進入林冠層時，完成林窗閉 合，這個過程伴隨著林窗邊緣木向林窗內部側向擴展；（2)林窗內無建群樹種更新或建群 樹種更新不成功，林窗閉合僅僅靠林窗邊緣木向林窗內部側向擴展，林窗面積減小到太陽 光無法直射到林窗內的植被時，完成林窗閉合。
[0005] 在考慮理想狀態(tài)下林窗大小的下限時，實際上只有第一種機制與林窗大小的下限 有關，即林窗內更新的建群樹種即將進入林冠層，且林窗側向擴展即將使太陽光無法直射 到林窗內的植被時，可認為林窗閉合。此時太陽光直接照射恰好還能夠影響到林窗內的更 新植被；由于此時林窗內植被高度接近林冠層(下一時刻林窗內更新的建群樹種進入林冠 層，完成林窗閉合)，所以太陽光直接照射范圍最小，這個時刻的林窗大小應為林窗大小的 最小值，即林窗大小下限。本發(fā)明將此時林窗的直徑定義為林窗最小直徑。因此，根據(jù)森林 冠層厚度（即建群樹種高度和理想狀態(tài)下林窗閉合時更新的建群樹種高度的差值）計算其 光學最小投影，得到林窗最小直徑。由于世界范圍內不同森林群落的差異巨大，采用最小直 徑與林窗邊緣木平均高度的比值能夠更好的表征林窗的大小，反映林窗與林分的區(qū)別，即 林窗大小的下限。


【發(fā)明內容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本發(fā)明提出一種可用于準確表征林窗大小的 特征參數(shù)，使林窗大小的下限能夠客觀、定量確定成為可能，為世界不同地域林窗研究提供 統(tǒng)一、可比的標準，徹底改變林窗研究領域對林窗下限定義的混亂局面。
[0007] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是：一種確定林窗大小下限的方法，包 括以下步驟：
[0008] 測量并計算目標區(qū)域植被建群樹種的平均冠層厚度；
[0009] 計算目標區(qū)域植被生長季每一天的正午太陽高度角；
[0010] 根據(jù)植被生長季每一天的正午太陽高度角，計算冠層厚度在林窗內正午投影長度 作為最小投影長度；
[0011] 利用積分法計算林窗最小直徑；
[0012] 以林窗最小直徑與林窗邊緣木平均高度的比值，表征林窗大小的下限。
[0013] 所述測量并計算目標區(qū)域植被建群樹種的平均冠層厚度為：
[0014] Dc=average[ (Hcl-Hcbl), (Hc2-Hcb2), (Hc3-Hcb3) , (Hci-Hcbi) , (Hcn-Hcbn)] (1) 式中，D。：冠層厚度，Hcd :第i個標準木樹高，Hcw :第i個標準木枝下高，n為選取的標準的 數(shù)量。
[0015] 所述植被生長季每一天的正午太陽高度角為：
[0016] SAnoon = 90-(^) - <5) ( 2 )
[0017] 式中，SA_ :正午太陽高度角，P :當?shù)鼐暥?，S :太陽赤緯角。
[0018] 所述冠層厚度的最小投影長度為：

【權利要求】
1. 一種確定林窗大小下限的方法，其特征在于，包括以下步驟： 測量并計算目標區(qū)域植被建群樹種的平均冠層厚度； 計算目標區(qū)域植被生長季每一天的正午太陽高度角； 根據(jù)植被生長季每一天的正午太陽高度角，計算冠層厚度在林窗內正午投影長度作為 最小投影長度； 利用積分法計算林窗最小直徑； 以林窗最小直徑與林窗邊緣木平均高度的比值，表征林窗大小的下限。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種確定林窗大小下限的方法，其特征在于，所述測量并計 算目標區(qū)域植被建群樹種的平均冠層厚度為： Dc=average [ (Hel-Hebl)，（He2-Heb2)，（H e3-Heb3)，…，（Hei-Hebi)，…，（H m-Hebn) ] (1) 式中，D。：冠層厚度，Hcd :第i個標準木樹高，Hcw :第i個標準木枝下高，n為選取的標 準的數(shù)量。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種確定林窗大小下限的方法，其特征在于，所述植被生長 季每一天的正午太陽高度角為： SAnoon =9Q-{(p^ 8) (2) 式中，SA_ :正午太陽高度角，P :當?shù)鼐暥?，S :太陽赤緯角。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種確定林窗大小下限的方法，其特征在于，所述冠層厚度 的最小投影長度為：
式中，D。：冠層厚度，SAn_ :正午太陽高度角，Ln_ :正午冠層厚度的投影長度。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種確定林窗大小下限的方法，其特征在于，所述利用積分 法計算林窗最小直徑，具體為： 對冠層厚度的投影長度Ln_積分后，計算平均值作為林窗最小直徑：
式中，n :生長季的天數(shù)，Dniin :林窗最小直徑。
6. 根據(jù)權利要求1所述的一種確定林窗大小下限的方法，其特征在于，所述林窗大小 的下限為：
式中，（D/H)lOT :林窗大小下限，Dmin :林窗最小直徑，n :生長季的天數(shù)，D。：冠層厚度，H :邊緣木高度，SAn_ :正午太陽高度角。
【文檔編號】G01C5/00GK104344800SQ201310342725
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月7日 優(yōu)先權日:2013年8月7日
【發(fā)明者】張廣奇, 朱教君, 閆巧玲, 李秀芬 申請人:中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所